基于物聯網的智能監(jiān)控管理系統設計

更新時間：2020-09-08

技術文章

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：利用物聯網技術，將無線射頻和傳感器兩項關鍵技術結合在一起，建立了一套將各處分散的電力環(huán)網柜和配電室環(huán)境數據實時聯網的電力配網環(huán)境智能監(jiān)控系統，這套新型的基于無線射頻傳感技術的電力配網智能監(jiān)控系統。實現了對電力環(huán)網柜和配電室環(huán)境數據的實時采集，實現了對運行環(huán)境的遠程監(jiān)控和異常情況或故障出現的即時報警，從而有效提高了電力配網系統的智能化、數據化程度，大力確保了電力配網的安全可靠運行。電力配網環(huán)境智能監(jiān)控系統是物聯網技術在智能電網中的一個典型應用范例，其無線射頻傳感器和一體化的RFID讀寫器設計實現了部署的簡便快捷(減少了布線工作)和可擴展性。

關鍵詞：物聯網；射頻識別；傳感器；電力配網設施；實時監(jiān)控

1應用背景

從電纜化供電來考慮。環(huán)網供電以其經濟性和可靠性成為配電網絡電纜化的形式，環(huán)網柜和配電室(以下統稱為電力配網設施)作為城市配電網中的關鍵設備，具有分布廣、數量大、布點散的特點，設施周邊環(huán)境復雜且差異較大，經常面臨天氣和突發(fā)事件的考驗，因而給戶外巡查工作帶來了以下難點：①電力配網設施采用全封閉式設計，人工巡檢難度大；②電力配網設施數量大，分布散，人工巡檢工作量大；③在遭遇天氣時很難及時進行人工巡檢；④電力配網設施到人為破壞時無法及時發(fā)現隱患；⑤無法實現電力配網設施7×24小時監(jiān)控預警體系。電力配網設施涉及用電安全責任重大，為了保障其運行安全，急需配備實時在線監(jiān)測預警系統，而傳統監(jiān)測方法在這個問題上存在許多不足之處：①傳統環(huán)境監(jiān)測方案主要針對機房資產，難以適應狹小空間；②傳統環(huán)境監(jiān)測方案采用有線傳輸，部署實施工作量大；③電力配網設施的強電環(huán)境與傳統環(huán)境監(jiān)測的機房環(huán)境差異大；④電力配網設施的強電環(huán)境對環(huán)境監(jiān)測系統設備、規(guī)劃、實施要求嚴苛；⑤電力配網設施部署環(huán)境影響有線連接方案的穩(wěn)定性。

2物聯網相關技術簡介

電信聯盟(ITU)的報告指出：物聯網是通過無線射頻識別技術(RFID)、傳感網技術、衛(wèi)星定位系統(GPS)、激光掃描器等信息傳感設備，通過約定的協議，基于互聯網平臺進行信息采集與傳輸，從而達到智能化管理的一種網絡技術。可以看到，無線射頻識別和傳感器是物聯網技術中兩個非常重要的核心組成部分。

2．1無線射頻識別(RFID)技術

無線射頻識別技術是一種利用射頻通信實現的非接觸式數據采集技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，其系統一般由閱讀器、應答器(電子標簽)、傳輸網絡和應用軟件等組成。RFID電子標簽具有體積小、容量大、壽命長、可多次重復使用等傳統條形碼所不具備的優(yōu)勢，處理數據過程無需人工干預，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。由此帶來的成本和節(jié)約和效率的提升，促使射頻識別技術成為各個行業(yè)實現信息化的重要切入點。

2．2傳感器技術

傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，是傳感網的基本功能節(jié)點。通過各式各樣功能豐富的傳感器節(jié)點，傳感網形成了一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測和采集網絡分布區(qū)域內的各種檢測對象的信息，以實現復雜的范圍內的目標檢測與跟蹤。智能電網建設中的一個關鍵部分就是處于網絡末端的傳感器，它是實現智能化*的關鍵部分，在智能電網中具有廣闊的應用空間，在生產安全管理、運行維護、信息采集、安全監(jiān)控、計量及用戶交互等方面都可以全面提高各環(huán)節(jié)的信息感知深度、廣度以及密度，提高電力系統的智能化程度，促進“信息流、業(yè)務流、電力流的高度融合”的實現。

3無線射頻和傳感器技術的結合設計

3．1無線射頻傳感器構成

一個完整的無線射頻傳感系統由傳感器標簽、有源RFID閱讀器、中間件接口和應用軟件組成，系統架構如圖1所示。

圖1 無線射頻傳感技術系統架構

系統首先通過底層的傳感器標簽采集并定期上傳需要萬方數據監(jiān)測的各種對象信息，然后通過在各個區(qū)域內部署的有源RFID閱讀器接收該區(qū)域內所有標簽上傳的信息并發(fā)送給后臺系統接口，由系統中間件對所有閱讀器上傳的數據進行統一處理后再發(fā)送給特定的應用軟件使用。無線射頻傳感技術把無線射頻識別和傳感器技術有機地結合到了一起，通過傳感器標簽采集各種需要進行監(jiān)測的對象狀態(tài)信息，同時通過射頻技術實現閱讀器和傳感器標簽之間的快速可靠通信，能夠及時獲取并上傳所采集到的各類信息。傳感器標簽集成了多種傳感器和有RFID電子標簽的各項功能，系統可以統一接收并處理各類傳感器(溫度、濕度、漏液、煙感、門磁、震動等)所采集到的信息，能夠對密閉空間內部的各種環(huán)境條件進行實時監(jiān)控，從而實現對電力配網設施的多角度、信息、全壽命周期管理。

3．2無線射頻傳感技術主要特點

首先，在射頻通信方面，該技術選擇了433 MHz的超高頻頻段作為系統工作頻率，其技術優(yōu)勢主要體現有：①433MHz頻段目前已被絕大多數國家所接受；②目前433MHz頻段的使用率還不是很高，選擇這個頻段可以有效減少沖突機會，而WiFi和Zigbee網絡所使用的2．4 GHz頻段則常常會發(fā)生因受干擾而丟失數據的情況；③433 MHz電磁波的波長為70 em，這是比較長的，很多有源系統采用的2．4GHz頻段波長只有2．4 cm。波長越長，系統在密集環(huán)境以及金屬和體周圍的表現就越好，可以更好地適應環(huán)網柜和配電室應用環(huán)境；④工作在433 MHz的一個無線射頻閱讀器可以輕松地處理多達1 400個傳感器標簽而不會對射頻傳輸和通信的可靠性有任何降低。其次，在傳感器方面，該技術把有源RFID標簽和傳感器技術無縫地融合在一起，形成了一系列具有各式各樣豐富功能的傳感器標簽，其技術特點主要有：①傳感器標簽每隔一定時間(通常為2 s，可根據需要進行調整)向閱讀器發(fā)送一次數據，其信號傳輸距離大可達90 m，*可以滿足環(huán)網柜和配電室環(huán)境的應用需要；②每個傳感器標簽都有一個8位的身份代碼，用于對其進行標識，同時還有一個6位的組別代碼用于標識其傳感類型可以實現簡單方便的統一管理；③傳感器標簽外型小巧，可用于多種物體表面，易于安裝和使用；④傳感器標簽類型多樣，功能豐富，可以根據不同應用靈活進行選擇；⑤傳感器標簽采用工業(yè)級封裝，環(huán)境適應性強；⑥傳感器標簽內置電池，使用壽命可達5年并且可以更換，無需考慮供電問題；⑦傳感器標簽與閱讀器之間的通信采用無線傳輸，部署簡單靈活。

4無線射頻傳感技術的電力配網智能監(jiān)控系統

基于無線射頻傳感技術的整個電力配網智能監(jiān)控系統的構成如圖2所示。

對于電力配網設施監(jiān)控應用來說，根據環(huán)網柜和配電室的特性，我們?yōu)槊總€配電設施選配了以下幾種類型的傳感器標簽用于其狀態(tài)監(jiān)控：①門磁標簽：用于監(jiān)控環(huán)網柜柜門或配電室房門的開閉狀態(tài)；②溫濕度標簽：用于監(jiān)控電力配網設施內不同區(qū)域的溫度和濕度；③液體探測標簽：用于監(jiān)控電力配網設施內是否有液體滲漏；④震動標簽：用于監(jiān)控電 [5]力配網設施是否有人為破壞；⑤煙感標簽：用于監(jiān)控電力配網設施內是否有煙霧起火現象。

圖2智能電力配網設施實時監(jiān)控系統構成

5系統應用效益

電力配網智能監(jiān)控系統通過無線射頻傳感技術成功實現了對環(huán)網柜和配電室內環(huán)境數據的實時采集和聯網，實現了環(huán)境的遠程監(jiān)測，保證了運行的安全可靠，通過使用該系統所帶來的經濟效益和社會效益主要有：①實現了所有電力配網設施運行狀態(tài)的聯網在線實時監(jiān)測，有效提升了設施管理的智能化和信息化水平；②實現了電力配網設施內環(huán)境參數7 X24小時的全天候安全監(jiān)測，有效減少了安全性事故的發(fā)生并提高了事故發(fā)生后的及時處理能力；③利用電子監(jiān)控替代人工巡檢，大大減少了管理人員的工作量并提高了工作效率，有效降低了電網管理的人力成本和時間成本；④減少了因滲水、銹蝕、溫度過高等原因造成的設備異常損耗，避免了不必要的損失，提高了設備的可靠性和運行壽命；⑤針對突發(fā)事件實現環(huán)網柜故障及時預警和全面分析快速定位，真正做到馬上發(fā)現，馬上處理，同時也大大減少了由于二次設備故障對電網運行造成的影響；⑥提升了電力配網系統的數據化運維管理水平，實現了、多角度的智能化管理和監(jiān)督，為智能電網的建設提供了有力支持。

6安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統的介紹與選型

6.1簡介

安科瑞電氣股份有限公司根據配電室實際情況，結合多年的變電站和配電室的運行管理經驗，了安科瑞配電室綜合監(jiān)控系統，實現了智能開關柜運行監(jiān)控、高壓開關柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監(jiān)控、母線測溫監(jiān)測、電纜測溫監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測、安防監(jiān)控、采暖通風、門禁、燈光、風機、除濕機、空調控制等功能。實現動力環(huán)境各數據的檢測與設備控制，實現動力環(huán)境優(yōu)化，避免運行環(huán)境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，減少配電室粗放式管理導致成本過高，同時實現配電動力環(huán)境的分布式遠程管理。

6.2系統功能

6.2.1 通信管理

安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統可以完成對整個配電室范圍內的通信設備進行管理、添加、刪除、控制和數據的實時監(jiān)測。

6.2.2實時監(jiān)測

安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統人機界面友好，能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測配電室環(huán)境參數信息，如視頻、溫度、濕度、漏水/水浸、水位、有害氣體和電參量等。實時顯示有關故障、告警等信息。

6.2.3 數據查詢

在人機界面中，可以直接查看配電室個設備的運行數據。

6.2.4曲線查詢

在曲線查詢界面，可以直接查看遙測參量曲線，包括溫度、濕度、水位、有害氣體、電壓、電流等曲線。

6.2.5運行報表

查詢配電室內設備的運行數據報表，包括日報表、月報表、年報表和查詢報表等。

6.2.6實時告警